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유기태양전지의 효율개선방안
화학공학과
20021039
김장곤
태양전지 효율의 정의
 에너지 전환 효율(PCE)
PCE = Pmax / Pin
= FF × (Voc × Isc / Pin)
※ FF = (Vp × Ip) / (Voc × Isc)
= (Vp × Ip) / Pin
유기 태양전지의 원리
 유기 태양전지의 구조
유기 태양전지의 원리
 P/N 접합
유기 태양전지의 원리
 광여기 전하 이동(PICT)
1. Exiton Generation
2. Exiton Diffusion
3. Exiton Dissociation
4. Charge transport
유기 태양전지의 효율개선
 재료 선택 및 배합
 열처리 (Annealing)
 Buffer 층 삽입
 박막 두께 조절
재료의 선택
 Donor 물질의 선택
- 광범위한 범위의 파장
흡수
→ 에너지 갭이 작은 소
재의 선택
- 높은 전압차(기전력)
발생
→ 에너지 갭이 큰 소재
의 선택
 Acceptor 물질의 선택
- 가시광 범위에서의
파장 흡수 최소화
- 강한 전자친화도 요망
→ Exiton의 Recombination(재결합)방지
및 Dissociation
대표적인 재료
 Donor 물질
PPV , PT 계열
 Acceptor 물질
fullerene 유도체
Blending
P3HT and C60 흡광도
1.2
P3HT
fullerene(C60)
absorbance (a.u.)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
300
400
500
600
wavelenghth (nm)
700
800
Bulk Hetero Junktion
Donor /
Acceptor
계면이 넓다!
Annealing
 실험 데이터
2
current density (mA/cm )
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-0.2
pristine
annealing (120 oC, 30 min)
0.0
0.2
voltage (V)
0.4
0.6
Annealing : 효율이 향상되는 이유 1
 결정성의 향상
Before
플러린분자가
결정형성방해
After
플러린 클러스터 형성 →
Free region 발생
P3HT 결정화
Annealing : 효율이 향상되는 이유 2

전극에서의 계면 특성 변화
Pre annealing
Pre – Post annealing
Post annealing
어닐링을 나중에
할수록 표면이
rough
→ 계면면적증가,
광산란에 의한 흡
광증가
Annealing관련 추가자료
 Annealing 온도에 따른 전류특성변화
일정온도 이상에서
오히려 효율 감소
→ 적절한 온도 설정
Annealing관련 추가자료
 Annealing 시간에 따른 전류특성변화
일정시간이후
FF가 급격히
감소
→ 효율감소
Schottky Barrier
vacuum level
e
em
금속
eBn
es
Ec
EF
EFi
접
합
eVbi
en
Ev
Ev
N-type
Ec
EF
xn=W
depletion region
에너지 장벽이 발생
Buffer층의 삽입
 Schottky Barrier 문제 해결
ITO
P
E
D
O
T
P
S
S
Donor
(P3HT)
자기조립 단분자막(SAM)
 자기조립 박막이란?
분자가 자발적인 반응을 통해 특정 기질 표면에 흡수
되어 화학적 결합을 형성하여 결정성 분자막을 이루
는것
 ITO 기판에서는 아민 기능기를 가진 물질들이 자기
조립을 한다는 것이 알려져 있다
자기조립 단분자막(SAM)
 SAM 의 예
플로렌 계열의 C60을 이용해서 기능기를 붙임으로써 분자레벨의 태
양전지를 형성하였다. 이 물질은 전자 받개의 능력을 갖고 있고 있
으며, 표면에 자기조립 형성이 가능하다.
박막의 두께 개선
투명성증가에 따른 광흡수
기타 효율결정 변수
 음전극의 두께
 박막의 두께
 Tandem(적층) 구조
요약
 태양전지 연구의 중점사항 → 효율개선
 효율개선을 위해서 Voc / Isc 값을 높이는 것이 관건
 효율개선을 위한 방안
- 에너지갭과 광흡수도 Reduction Potential을 고려
한 재료의 개발
- 최적온도/시간에서의 Annealing을 통한 결정성 향상
- 박막의 두께를 컨트롤 할 수 있는 증착, 코팅기술 혹
은 SAM 기술의 향상
Reference
 유기 태양전지의 개발동향 및 전망 / 강문성 외 1명 / 2005
 분자레벨에서 제작된 나노 태양전지 기술 / 이원주 외 2명 / 2006
 유기박막 태양전지 재료 및 소자기술 동향 / 진병두 / 2006
 Correlation between structural and optical properties of
composite polymer/fullerene film for organic solar cell
/ Tobias Erb 외7명 / 2005
 반도체성 유무기 복합재를 이용한 고효율 저가형 유기분자계 태양
전지 개발 / 문상진 외 4명 / 2006
 Dependences of Characteristics of Polymer Solar Cells Based
on Bulk Heterojunction of Poly(3-hexylthiophene) and C60 on
Composite Ratio and Annealing Temperature / Tokiyoshi
Umeda외 5명 / 2006